книги / Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок
..pdfГлава 5
КОМБИНИРОВАННЫЕ ЦИКЛЫ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
§ 5.1. Общие принципы комбинирования циклов
Целью комбинирования различных циклов является стремление повысить значение электрического к.п.д. энер гетической установки и уменьшить удельные капитальные вложения. Комбинирование различных циклов может преследовать и такие более узкие цели, как возможность покрытия пиковой электрической нагрузки, использование низких температур окружающего воздуха и др.
Здесь рассмотрим только такие комбинированные цик лы, которые используются или могут быть использованы при создании мощных тепловых электростанций: паропаровые, парогазовые и газогазовые.
Все комбинированные циклы в зависимости от принци пов использования тепла горячего источника (теплоты топ лива) можно разделить на три группы: бинарные, составные и частично бинарные.
Принципы комбинирования и их термодинамическая эффективность могут быть показаны на примере различного соединения двух идеальных циклов Карно (рис. 5.1 и 5.2). На обоих рисунках цикл 1234 является основным, а цикл аРуб — дополнительным. Комбинированный цикл на рис. 5.1 называют бинарным, а на рис. 5.2 — составным.
При таком комбинировании, как показано на рис. 5.1, надстройка верхнего цикла аРуб не приводит к увеличению тепла q2, отдаваемого холодному источнику. Увеличивает ся только подводимое тепло qt на величину Д ft, равную ра боте дополнительного цикла /ц.доп. Таким образом: q2 = = const; Aq± = /ц.доп-
Термический к.п.д. основного цикла
Л/ оси = 'Ьь OCl/<7l- |
(5*1) |
Термический к.п.д. бинарного цикла (комбинирован ного)
'Ч/б = 1 — ?г/(?1 + А ? 0 = (/ц.осн + /ц. доп) / ( ? 1 + A ?i)* (5.2)
При сравнении (5.1) и (5.2) видно, что независимо от того, какой будет надстраиваемый цикл, его надстройка всегда приведет к повышению термическоо к.п.д., т. е. всегда <б > т] f0CII. Интересно отметить, что если надстраи ваемый цикл осуществить отдельно, то его термический к.п.д. окажется меньше, чем основного цикла:
'П/ доп == ^Ц.доп/?! доп^ т1/ оси. |
(5-3) |
Таким образом, если происходит надстройка одного цикла над другим, то термический к.п.д. полученного ком бинированного цикла всегда оказывается больше термичес кого к.п.д. каждого из этих циклов:
”4/ оси< б > "Л/доп* (5.4)
Очевидно, точно такой же эффект и те же формулы полу чатся и в том случае, когда надстраиваемый цикл распола гается не сверху, а внизу основного цикла (см. рис. 5.5).
Совершенно иной эффект получим от схемы комбиниро вания (см. рис. 6.2), где дополнительный цикл аРуб пристра ивается к основному 1234. Отводимое тепло теперь увели чится и составит сумму q2ocn + ?гдоп* В этом случае терми-
ческий к.п.д, |
составного цикла |
|
|
|
|
|
||||
|
с _ |
1 |
____ ?2 + ? 2 ДОП |
_ |
V |
ОСИ Н~ *ц. доп |
^ |
g^ |
||
|
|
|
<7l Н “ 9T ДОП |
^ 1 |
Ч ~ |
9 2 ЛОП “ f “ ^ ц . д о п |
|
|
||
где ^1Д0П= |
^ц.доп + |
<72доп* |
Л «доп является |
термическим |
||||||
Отношение |
/ц.доп/<71дои = |
|||||||||
к.п.д. дополнительного (пристраиваемого) цикла. |
|
|
||||||||
Сравнивая между собой т] <осн и r\ic по (5.1) и (5.5), легко |
||||||||||
заметить, что: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1) |
неравенство r\ tc > л iocn имеет место только в том слу |
|||||||||
чае, |
когда |
г] fдоп > |
*n t0CII; |
|
|
|
|
|
|
|
2) |
если т] «доп < |
Л «оси» то такая пристройка приведет не |
||||||||
к росту, а |
к |
уменьшению |
общего |
термического |
к.п.д.; |
|||||
3) |
общий |
термический |
к.п.д. |
составного |
цикла |
*п<с |
всегда имеет какое-то промежуточное значение между л «осп
ИЛ «доп* Действительно, если в (5.5) заменить /ц.осн на произве
дение |
<7п.Л«осн» а ^ц.доп на <7iдопЛ fДОП} |
Т° |
|
|
|
|
Л«С = ®Л« ОСП“Ь (1 о) |
доп» |
(5*6) |
где |
а |
= <7i/(</i ~h <7iдon)• |
|
|
Записывая формулу термического к.п.д. бинарного |
||||
цикла (5.4) подобно (5.6), получим соответственно |
|
|||
|
|
Л«б ~ Л/ оси ”Ь (1 |
аб)» |
(^*7) |
где |
а$ = QiUcji + A<7i) ~ QiKQi "Ь Аьдоп)* |
|
Отсюда следует, что при надстройке какого-то цикла получается такой же термодинамический эффект, как и при пристройке дополнительного цикла с термическим к.п.д., равным единице.
Величина абсолютного приращения термического к.п.д.
= |
г|<(5— 'Hfocm вызванная осуществлением |
бинарного |
цикла, |
с учетом (5.7) |
|
|
ДП, = (1 — аб) (1 — л, ос..)- |
(5-8) |
Отсюда видно, что независимо от того, какова величина TJIдоп» надо всегда стремиться получать как можно больше работы /ц.доп в надстраиваемом дополнительном цикле. В зависимости от конкретных условий следует выбирать та кую форму дополнительного цикла и соответственно такое рабочее тело, при которых обеспечивалась бы максималь ная величина /ц.ДОп.
Из приведенного следует, что наибольший эффект ком бинирование циклов дает в том случае, когда осуществляется надстройка одного цикла над другим, позволяющая ис пользовать отводимое тепло от верхнего цикла в нижнем. В этом случае нижний цикл становится по отношению к верх нему утилизационным, а весь комбинированный цикл ока зывается бинарным. Тепло от горячего источника (тепло топлива) подводится только в верхнем цикле при наиболь шем значении 7\ср и отводится к холодному источнику при иаинизшей температуре.
Значительно меньший термодинамический эффект по лучают в составных циклах, где осуществляется пристрой ка одного цикла к другому. Термический к.п.д. комбиниро ванного цикла получается ниже, чем у одного из пристраи ваемых циклов. Поэтому, если можно осуществить простой цикл с большим к.п.д. без всякой пристройки, то в комбини ровании нет необходимости. Однако, как правило, осущест вление такого простого цикла без пристройки к малоэффек тивному циклу оказывается невозможным. В этих случаях оказывается целесообразным указанное комбинирование двух циклов путем пристройки одного к другому, по скольку оно дает повышение эффективного к.п.д. уста новки.
Для примера рассмотрим цикл паротурбинного блока с промежуточным перегревом пара как составной цикл (рис. 5.3), основную часть которого представляет цикл 1234 без промперегрева при тех лее начальных параметрах пара (Ри О - Дополнительный цикл аГ2'2, связанный со вто ричным перегревом пара (заштрихован на рисунке), имеет более высокий термический к.п.д., однако отдельно от ос новного цикла его осуществить нельзя. Такая пристройка цикла вторичного перегрева пара повышает термический к.п.д. всего цикла ТОЛЬКО при /ц. доп^доп > ^ц.осЛюси, т. е. при т)*д0П> 'HfocnКроме того, уменьшение конечной влажности отработанного пара снижает потери в турбине и повышает внутренний к.п.д. цикла.
Если в конечном итоге всего цикла от указанной пристройки повышается, то такая пристройка термодина мически целесообразна, даже когда термический к.п.д. при этом не возрастает.
В ряде случаев комбинирование циклов осуществляется путем частичной надстройки и частичной пристройки цик ла, без которой невозможно осуществить реальный цикл. Например, при низкой температуре газов, выходящих из газовой турбины, не представляется возможным полно стью осуществить надстройку газового цикла над паровым из-за недопустимой влажности отработанного пара. При стройка же дополнительного цикла путем промежуточного перегрева пара за счет непосредственного подвода к пару тепла топлива снижает его конечную влажность и делает такой парогазовый цикл практически осуществимым. Хотя при этом и получается только частично бинарный цикл, внутренний к.п.д. установки повышается.
§ 5.2. Простейшие бинарные циклы
Бинарные паропаровые циклы. В конце двадцатых годов нынешнего столетия в период широкого применения прос тейших циклов перегретого водяного пара при начальной температуре до 450°С и давлении 3,5—4,0 МПа, были соз даны теплоэнергетические установки, работавшие по ртут но-водяному бинарному циклу. Схема такой бинарной ус тановки и ее цикл приведены на рис. 5.4. Здесь ртутный пар, образующийся в котле РК, поступает в ртутную турбину РТ, где производит работу, а отработавший ртутный пар — в конденсатор-испаритель КИ и в нем конденсируется. От сюда жидкая ртуть самотеком или с помощью ртутного на соса возвращается в котел РК•Питательная вода, подавае мая в конденсатор-испаритель КИ, превращается там в водяной пар (за счет теплоты конденсации ртутного пара) й направляется в пароперегреватель ПП, расположенный в газоходах ртутного котла. Перегретый водяной пар поступает в паровую турбину ЯТ, где совершает работу, а затем в конденсатор К . Конденсат водяного пара питатель ным насосом Я через регенератор Р снова подается в кон денсатор-испаритель и т. д.
Теплота конденсации отработавшего ртутного пара, отдаваемая водяному пару в КИ, равна пл. 4587. Пл. 8519 соответствует теплоте перегрева водяного пара Aft, получае мой им непосредственно от продуктов сгорания.
В верхней ступени бинарного цикла обычно применяет ся сухой насыщенный ртутный пар, давление которого при температурах ^ =515 — 550°С составляет всего 1,0 —
—1,5МПа. После адиабатного расширения в ртутной турби не до давления р2 = 10,0 4- 6,0 кПа он конденсируется при температуре 250—230°С, отдавая на испарение воды 285 — 297 кДж/кг. Таким образом, для испарения 1 кг воды необходимо сконденсировать 10— 12 кг ртутного пара.
Отношение массы ртути к массе воды в цикле бинарной установки называют кратностью ртути:
m = G PT/Gd. |
(5.9) |
Учитывая необходимость иметь в конденсаторе-испари |
|
теле температурный напор порядка |
10°С, при указанной |
выше температуре конденсации ртути можно в нем выраба тывать насыщенный водяной пар с давлением около 3,0 МПа.
Наибольший термический к.п.д. можно получить в том случае, если цикл водяного пара будет чисто утилизацион ным и соответствовать пл. 3456. Остальная часть пароводя ного цикласвязанная с перегревом паразасчетдополнитель но подводимого тепла топлива Д ^, является вынужденной пристройкой, вызванной необходимостью уменьшить конеч ную влажность отработавшего пара. Как видно из рис. о.4, среднетермодинамическая температура подвода тепла к ртутному пару 7\ср (благодаря тому, что теплоемкость рту ти по левой пограничной кривой почти в 30 раз меньше теп лоемкости воды) является близкой к его температуре насы щения, практически равной Та Среднетермодинамическая температура подвода тепла в процессе 51 перегрева водя ного пара Гп.ср всегда ниже Г1ср ртутного пара.
По этой причине термический к.п.д. основной чисто би нарной части комбинированного цикла (равной сумме пл. а(3уб и 3456), как правило, оказывается выше, чем пристроенной его части, где осуществляется перегрев во дяного пара. Значение температуры перегрева водяного пара 7\ определяется здесь допустимой влажностью пара
впоследних ступенях турбины.
Всвязи с тем, что количества ртутного и водяного паров
вцикле не одинаковы, изображают их на Т — s-диаграмме
сучетом кратности ртути т. Соответственно этому верхний цикл строят для т кг ртути, а нижний — для 1 кг воды. При этом площадь верхнего цикла оказывается равной ра боте т кг ртутного пара, а площадь нижнего цикла — рабо те 1 кг водяного пара.
Общий термический к.п.д. всего ртутно-водяного цикла
Т1/ = ( т !рт + tB.n)/(mq1VT+ Aqt), |
(5.10) |
где /рт и qlVT— работа в цикле и подведенное тепло топ лива, отнесенные к 1 кг ртути; /в.п иA ft — работа водяного пара и теплота перегрева, отнесенные к 1 кг водяного пара.
Термический к.п.д. приведенного ртутно-водяного би нарного цикла достигает 0,9 -=- 0,95 от величины термичес кого к.п.д. цикла Карно, осуществленного в том же диапа зоне температур. При начальной температуре цикла Тг = = 770 К (Piрт = 0,65 МПа) и конечной температуре Т2 =
=300 К (р*рт = 4,0 кПа) термический к.п.д. такого цикла
срегенерацией r\t — 57,2%, что значительно больше г|*
соответствующего чисто парового цикла.
В последние годы благодаря развитию металлургии созданы высококачественные жароупорные стали, установ ки из которых дают возможность применять водяной пар со сверхкритическим давлением и температурой до 650°С. В этих условиях при двойном промежуточном перегреве пара достигается термический к.п.д. чисто парового цикла, не уступающий к.п.д. приведенного бинарного цикла. Все это, а также сильная токсичность ртути (отравлений людей, с ней соприкасающихся) и дороговизна ртутного оборудо вания привели к тому, что в настоящее время подобные бинарные установки больше не строят.
Другим типом бинарных паропаровых установок являют ся паротурбинные установки с низкотемпературными ве ществами, использующими зимнее понижение температуры окружающей среды. Дело в том, что обычные паротурбинные установки, в конденсаторе которых используют в качестве охладителя циркуляционную воду, даже в самые холодные зимние дни, когда температура окружающего воздуха до стигает —30°С и ниже, не могут уменьшить температуру конденсации отработавшего пара ниже +15 -г +20°С, поскольку вода в реке всегда имеет положительную темпе ратуру. При низких давлениях и температурах насыщения водяной пар очень сильно увеличивается в объеме, что огра ничивает его пропуск через последние ступени турбины.
Вместе с тем известно, что использование нижнего пере пада температур дает наибольшее повышение к.п.д. цикла. Справедливость этого утверждения можно показать на при мере идеального цикла Карно. Пусть имеются источники тепла с температурами Тг = 800 К и Т2 = 300 К, при этом термический к.п.д. цикла Карно г)* = 1 — 300/800 =
= 0,625. Если повысить температуру подвода тепла |
qt |
в цикле на 50 К, то термический к.п.д. увеличится |
до |
1 — 300/850 = 0,649, или на 2,4%. При понижении темпе ратуры отвода тепла в цикле на те же 50 К термический к.п.д. увеличится до r| t = 1 — 250/800 = 0,689. Соответ ствующий прирост к.п.д. составит 6,4%, т. е. почти в 3 раза больше, чем от повышения температуры подвода тепла на те же 50 К. Это положение доказывается и аналитически [2]. Действительно, дифференцируя выражение к.п.д. Кар но у\г = 1 — Т2/7\ по Т2, получим: di\tfdT2 = —l/Tlt
вто время как dr\ tldTx= TJT^. Отсюда видно, чтоdt]t/dT^
«dr\ t/dT2.
На рис. 5.5 приведены схема и цикл на Т — s-диаграмме бинарной установки с низкотемпературной подстройкой. Здесь контур 1234 представляет собой пароводяной цикл с регенеративным подогревом питательной воды и а|3уб — фреоновый цикл, использующий тепло конденсации отра ботавшего водяного пара. На Г — s-диаграмме: Тк — тем пература конденсации водяного пара; Т „— температура циркуляционной воды; TQ— температура окружающего воз духа; д Т — температурный напор в конденсаторе-испари теле.
Как известно, в течение года температура циркуляцион ной воды и окружающего воздуха, а также их соотношение значительно изменяются. Так, если летом более холодной будет вода, то зимой более холодным — воздух. При этом перепад температур, используемый в подстроенном фреоно
вом цикле в течение года, резко меняется, а в летний период может быть даже отрицательным. В результате этого полез ная работа фреонового цикла получается только зимой, а вся пристраиваемая низкотемпературная схема во все остальные периоды года должна отключаться. Достигаемая только в зимний период экономия топлива, как правило, не окупает дополнительных капитальных вложений. Но са ма идея нижней подстройки низкотемпературного цикла является весьма интересной. Так, подбирая в качестве рабочего тела для нижнего цикла вещество с малыми удель ными объемами и подняв линию раздела между циклами до давления водяного пара в 0,1—0,2 МПа, можно в несколь ко раз уменьшить его в объем в последних ступенях турби ны. Этим создается возможность достигнуть большей еди ничной мощности энергетического блока.
Одним из таких рабочих тел является фреон-21, поз воляющий уменьшить объемный расход рабочего тела на выходе из последних ступеней турбины почти в 20 раз по сравнению с водяным паром. Однако возможность увели чения весового расхода фреонового пара ограничивается малой его звуковой скоростью. Другим недостатком фреона является значительно большее, чем при водяном паре, воз растание объема в каждой ступени турбины, что значитель
но снижает относительный к.п.д. ступени. Другим |
возмож |
ным рабочим телом могут быть пары аммиака, |
удельный |
объем насыщенного пара которого при Т = 300 К составля |
ет только 0,03 объема водяного пара. При воздушном охлаж дении в зимнее время его температуру конденсации можно понизить до 250 К и этим самым повысить к.п.д. установки в период, когда потребность в электроэнергии максимальна.
Комбинирование циклов перегретого и насыщенного паров. Исходя из того, что высокотемпературный водяной пар близок по своим термодинамическим свойствам к га зам, возникла идея применить в качестве рабочего тела газо турбинных установок такой пар при температуре 1000— 1100 К. Если построить обычный цикл ГТУ с подводом тепла при постоянном давлении на перегретом водяном паре, то в нем будет большая работа сжатия и высокая температура отвода тепла. Этого можно избежать, если осуществить комбинированный цикл перегретого водяного пара, называемый циклом Барановского — Фильда. Идея такого комбинирования видна из рис. 5.6, где 1234 — верх ний газовый цикл и abc — нижний паровой цикл. Между изобарами начального и конечного давлений верхнего цик-